thiết kế hệ thống điều khiển cho máy dập tự động

thiết kế hệ thống điều khiển cho máy dập tự động

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

MÁY DẬP TỰ ĐỘNG

GVHD: Hoàng Hữu Tân SVTH: Nguyễn Đình Sang

TP VINH, Tháng 04 – 2011

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Nguyễn Đình Sang Hoàng Hữu Tân Hoàng Hữu Tân

Lời nĩi đầu

Ngày nay, ngành cơng nghiệp phát triển mạnh địi hỏi quy trình làm việc nhanh và hiêu quả

Quy trình cơng nghệ dập phơi tự động mà chúng tơi thực hiện chỉ là một phần rất nhỏ trong thời đại cơng nghiệp hĩa hiện đại hĩa ngày nay Cĩ nhiều cách để thiết kế một hệ thống điều khiển dập phơi tự động khác nhau, ở đây chúng tơi thiết kế hệ thống điều khiển dập phơi tự động điều khiển bằng thuần khí và điện khí nén

Trong quá trình thực hiện đồ án mặc dù chúng tơi đã cố gắng hết sức chắc chắn sẽ khơng thiếu những sai xĩt Vì vậy, chúng tơi - những người làm

đồ án này rất mong những ý kiến đĩng gĩp của quý thầy cơ và các bạn.Nhân đây xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hồng Hữu Tân cùng các bạn đã giúp chúng tơi hồn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Hiện nay để sử dụng hệ thống dập phôi trong các phân xưởng cơ khí người

ta cần ít nhất hai công nhân Vì vậy yêu cầu tự động hóa hệ thống này là cầnthiết để tiết kiệm nhân công và nâng cao năng suất của hệ thống

2 Vài nét về sự phát triển của công nghệ thủy lực - khí nén:

Không khí xung quanh ta nhiều vô kể và nó là một nguồn năng lượng rấtlớn mà con người đã biết sử dụng chúng từ trước Công Nguyên Tuy nhiênsự phát triển và ứng dụng khí nén lúc đó còn rất hạn chế do chưa có sự phốihợp giữa các ngành vật lý, cơ học v.v

Mãi cho đến thế kỷ XVII, nhà kĩ sư chế tạo người Đức Otto von Guerike,nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal, cũng như nhà vật lýngười Pháp Denis Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng khí nén.Trong thế kỉ XIX, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt

được phát minh như: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835) của

Josef Ritter, phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861)…Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượngbằng khí nén bị giảm dần

Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốtyếu trong nhiều lĩnh vực, mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm; sửdụng năng lượng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vậntốc lớn; sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụdập, phun sơn, giá kẹp chi tiết… và nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trongcác máy.

Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày naycác thiết bị truyền dẫn, điều khiển bằng thủy lực – khí nén sử dụng trongmáy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy côngcụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy cắt, máy uốn, máy ép phun, dâychuyền chế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điềukhiển tối ưu, đảm bảo chính xác cao, công suất lớn với kích thước nhỏ gọnvà lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyềnđộng và điều khiển bằng cơ khí hay điện.

 Ưu – nhược điểm của khí nén:

Ưu điểm:

 Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí,cho nên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi Như vậy có khả năngứng dụng để thành lập các trạm trích chứa khí nén

 Khả năng truyền tải năng lượng của khí nén xa, bởi

vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp xuất trên đường dẫn ít

 Không gây ô nhiễm môi trường

 Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền độngbằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khínén đã có sẵn

 Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đượcđảm bảo

Nhược điểm:

 Lực truyền tải trọng của khí nén thấp

 Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốctruyền cũng thay đổi, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nênkhông thể thực hiện những chuyển động thẳng hoặc quay đều

 Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn

 Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thườngkết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện tử, PLC.Cho nên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng ưu, nhược điểm củatừng hệ thống điều khiển

3 Yêu cầu và giới hạn đề tài:

Thiết kế mô hình hệ thống dập phôi tự động dùng năng lượng thuần khí nénvà điều khiển bằng Điện - Khí nén

Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động

cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nénvà nhiệt năng

Phân loại:

 Máy nén khí áp suất thấp: p  15 bar

 Máy nén khí áp suất cao: p  15 bar

 Máy nén khí áp suất rất cao: p  300bar

 Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểupittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểutrục vít

 Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theochiều trục

Máy nén khí

2 Bình trích chứa khí nén:

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước.Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và côngsuất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn

Ký hiệu :

Máy nén khí

B CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển vòng hở(Open – loop Control System) với các phần tử sau:

 Phần tử đưa tín hiệu : nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đạilượng vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển Ví dụ: van đảo chiều,rơle áp suất

 Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logicnhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển Ví dụ: van đảochiều, van tiết lưu, van logic OR hoặc AND

 Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đạilượng ra của mạch điều khiển Ví dụ: xilanh, động cơ khí nén

1 Van đảo chiều:

Van đảo chiều cĩ nhiệm vụ điều khiển dịng năng lượng bằng cách đĩng, mở hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dịng năng lượng

Nguyên lý hoạt động của một số van đảo chiều:

Khi chưa cĩ tín hiệu điện tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3) Khi cĩ tín hiệu điện tác động vào cửa (12), nịng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn Trường hợptín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tác động của lị xo, nịng van trở về

Van đảo chiều 3/2

Khi chưa có tín hiệu điện tác động vào cửa (14), thì cửa (3) bị chặn, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (4) nối với cửa (5) Khi có tín hiệu điện tác động vào cửa(14) thì nòng van sẽ dịch chuyển sang phải, cửa (2) nối với cửa (3) và cửa (1) nối với cửa (4) còn cửa (5) bị chặn Khi tín hiệu tác động vào cửa (14) mất đi thì dưới tác động của lò xo nòng van trở về vị trí ban đầu

Ký hiệu:

Van đảo chiều 5/2

2 Van tiết lưu:

Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian chạy của cơ cấu chấp hành Ngoài ra van tiết lưu cũng có nhiệm vụ điều chỉnh thời gian chuyển đổi vị trí của van đảo chiều Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay ñổi tiết diện

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay

Nguyên lý hoạt động:

Tiết diện chảy Ax thay đổi bằng điều chỉnh vít điều chỉnh bằng tay Khi dòng khí nén từ A qua B, lò xo đẩy màng chắn xuống và dòng khí nén chỉ đi qua tiết diện Ax Khi dòng khí nén đi từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo đẩy

màng chắn lên và như vậy dong khí nén sẽ đi qua khoảng hở giữa màng chắn vàmặt tựa màng chắn, lưu lượng không được điều chỉnh.

Xylanh tác dụng đơn dùng lò xo

Xylanh tác dụng hai chiều, không có bộ phận giảm chấn

Xylanh tác dụng hai chiều, có có bộ phận giảm chấn ở cuối khoang chạy

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

A.THIẾT KẾ MẠCH THUẦN KHÍ.

1.1 Biểu đồ trạng thái và quy trình làm việc.

1.1.1. Biểu đồ trạng thái :

Biểu diễn trạng thái của các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa các phần

tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử

1.1.2. Quy trình làm việc:

Máy dập tự động điều khiển bằng khí nén, điện khí nén có quy trình thực hiện được mô tả như sau:

- Xy lanh A đi ra kẹp chặt, cố định chi tiết tại vị trí gia công.

- Sau khi xy lanh A giữ chi tiết tại vị trí cố định tại vị trí gia công thìxy lanh B đi ra thực hiện lần dập thứ nhất rồi đi về

S3 S6 S5

- Sau khi xy lanh B đi về thì xy lanh C đi ra và đẩy cơ cấu kẹp chi tiết của xylanh A vào vị trí gia công thứ 2 và dừng lại.

- Khi xy lanh C đưa cơ cấu vào đúng vị trí Thì xy lanh B di ra và dập lầøn thứ 2 rồi đi về

- Sau khi xy lanh B hòan tất công viêc của mình thì xylanh C trở về và mang cơ cấu kẹp chi tiết của xy lanh A trở về

- Sau khi xy lanh A đi về nhả chi tiết và kếât thúc một chu trình làm việc, và chuẩn bị để bắêt đầu một chu trình làm việâc mới

1.2 Sơ đồ hành trình bước:

- Xylanh A đi ra nhờ tác động khi nhấn nút "START", khi đi hết hành trình của mình thì chạm vào công tắc hành trình S2

- Khi công tắc hành trình S2 bị chặn thì xylanh B đi ra, khi đi hết hành trình thì chạm vào công tắc hành trình S4 thì quay về vị trí ban đầu và chạm vào công tắc hành trình S3

- Khi S3 bị chặn lần thứ nhất thì xylanh C đi ra và chạm vào công tắc hành trình S6

- Khi S6 bị chặn thì xylanh B đi ra lần thứ 2 và trở về khi công tắc hành trình S4 bị chặn và chạm vào công tắc hành trình S3

- Khi S3 bị chặn lần thứ 2 thì xylanh C bắt đầu trở về vị trí ban đầu và chạm vào công tắc hành trình S5

S3 S6 S5

START

- Khi công tắc hành trình S5 bị chặn thì xylanh A bắt đầu trở về chạm vào công tắc hành trình S1 và kết thúc một quá trình.

1.3 Xác định hệ điều kiện:

- Dựa vào hệ điều kiện ta xác định được các bước có hệ điều kiện

giống nhau là:

+) Bước: 2, 4, 8

+) Bước: 5, 7

- Áp dụng nguyên tắc chia tầng: ta xét từ đầu chu kỳ đến các bước tiếptheo khi các điều kiện trùng nhau thì dừng lại và lùi về một bước để chia tầng, tức là phải chuyển sang một tầng khác ở trước đó một bước Sau khi tách chuyển sang phần khác thì tiếp tục xét từ vị trí đã được tách đến các bước sau Quá trình như thế được tiến hành cho đến cuối chu kỳ và sẽ được số tầng xác định

- Theo hệ điều kiện chúng ta sẽ có hai nhóm bước co hệ điều kiện giống nhau:

+) nhóm 1: bước 2, 4, 8 có hệ điều kiện trùng nhau

+) nhóm 2: bước 5, 7 có hệ điều kiện trùng nhau

- Ta bắt đầu chia tầng ở nhóm thứ 1 vì, nếu ta chia tầng ở nhóm 2 thì khi xét ở bước 5 ta lùi về một bước sẽ là bước 4 lại trùng với bước 2 vì thế nên ta không bắt đầu chia tầng ở nhóm 2.

=> Như vậy ta có thể chia mạch thành các tầng sau:

*) Tầng I: ta bắt đầu xét từ đầu chu kỳ đến bước thứ 4 Bước thứ

4 có cùng điều kiện với bước thứ 2 vì thế ta lùi về một bước để chia tầng, và đó là bước 3 "Vậy tầng I sẽ bắt đầu ở bước thứ 1 và kêt thúc ở bước thứ 3"

*) Tầng II: xét từ bước 3 (là bước kết thúc của tầng I) cho đến bước 7 Bước 7 có điều kiện trùng với bước 5 Nên ta lùi lại một bước để chia tầng ở bước thứ 6 "Vậy tầng II sẽ bắt đầu ở bước 3 va kết thúc ở bước 6"

*) Tầng III: xét từ bước 6 (là bước kết thúc của tầng II) cho đến hết chu kỳ ( là bước 9 trùng vớùi bước 1) không có bước nào trùng nhau nên tầng III bắt đâu ở bước 6 và kết thúc ở bước 9

=> Như vậy đối với mạch này ta có thể chia nó ra thành 3 tầng

Sơ đồ chia tầng cho mạch

Dựa theo biểu đồ trạng thái, ở các bước 2,4,8 của biểu đồ là phương trình logic thứ tự cho các xy lanh B1+, C+, A-là giống nhau Ở các bước 5 và

7 là phương trình logic của các xy lanh B2+, C_ là giống nhau Vì vậy để cho các phương trình đó không còn giống nhau thì cần phải có các phần tử nhớ trung gian Chúng được ký hiệu là X, Y, Phương trình logic của mạch đượcviết như sau:

1.5 Các phương trình logic:

S3 S6 S5

III II

&

S R

1.6 Biểu đồ karnaugh:

Tín hiệu điều khiển của phần tử nhớ trung gian được biểu diễn đối xứng qua trục:

X Y X

Y X Y X

Y X

_ _ _

_

_

_ _ _ _

+ +

S1 S1 S1 S1 S2

S5

S2 S2 S2

S5 S5 S6 S6 S5 S6

S6

_

Biểu đồ karnaugh.

1.5 Đơn giản các phương trình bằng biểu đồ karnaugh.

A _ _

+ +

+

-

-

-

1.5.3 Đơn giản phương trình của xy lanh C (C+, C)

-

1.5.4 Đơn giản phương trình của phần tử nhớ trung gian X (X, X+)

X+ = S2UY

X = S4US6

X X

Y+ = S4

Y=S1US3

Y Y

S1 S1 S1 S1 S2

S5

S2 S2 S2

S5 S5 S6 S6 S5 S6

1.5.7 Sơ đồ mạch logic

Thể hiện sự liên kết có quy luật của các phần tử trong mạch.

&

&

S R

START

1.5.8 Sơ đồ chức năng:

Bao gồm các bước thực hiện lệnh và các lệnh Các bước thực hiện lệnh được kí hiệu theo số thứ tự và các lệnh gồm tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt của lệnh Và nó thể hiệân chức năng của các phần tử.

1 Kẹp chặt chi tiết vào vị trí 1 S Pittong A đi ra (+) S2

2 Dập lần 1 S Ptittong B đi ra (+) S4

3 Kết thúc lần dập thứ 1 S Pittong B đi về (-) S3

4 Đẩy chi tiết đến vị trí thứ 2

5 Dập lần 2

Kết thúc lần dập thứ 26

7 Kéo chi tiết về vị trí 1

8 Nhả chi tiết

9 = 1

Kẹp chặt chi tiết vào vị trí 1

S Pittong C đi ra (+) S6

S Pittong B đi ra (+) S4

S Pittong B đi về (-) S3

S Pittong C đi về S5

S Pittong A đi về S1

S Pittong A đi ra S2

Sơ đồ chức năng

1.5.9 Lưu đồ tiến trình:

Biểu diễn phương thức giải (thuật toán - Algorithmus) của một quá trình điều khiển Lưu đồ tiến trình không biểu diễn những thông số và phần tử điều khiển

Ưu điểm: Vạch ra hướng tổng quát của quá trình điều khiển, có tác dụng

như một phương tiện thông tin giữa người sản xuất phần tử điều khiển và kỹ thuật viên sử dụng nó

Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển của máy dập được thể hiển như sau:

 Bước thực hiện thứù nhất:

Khi pittong ở vị trí ban đầu (S1=1, S2=0), ấn nút khởi động S0

(START) Khi S0 = 1 khí sẽ tác động làm pittong A đi ra (A+)

 Bước thực hiện thứ 2:

Khi pittong A đi ra đến cuối hành trình chạm công tắc hành trình S2, nếu S2 = 1 thì pittong B đi ra (B+), nếu S2 = 0 thì mạch bị gián đoạn và quay trở lại với S1

Lưu đồ tiến trình

1.5.10 Sơ đồ mạch điều khiển bằng thuần khí nén:

Mạch thuần khí

Sơ đồ trạng thái của mạch

1.5.11 Nguyên lý làm việc của mạch thuần khí

Ban đầu các cơng tắc hành trình S1, S3, S5 bị chặn vì vậy L0, L3 sẽ cĩ khí nên khi khởi động máy làm việc bằng cách nhấn nút Start khí sẽ chuyển từ tầng 1 qua công tắc Start tác động trực tiếp vào bên trái của van đảo chiều 5/2 ( phần tử điều khiển xylanh A), khi đó cửa vào số 1 sẽ được nối với cửa

ra số 4 và cửa ra số 2 sẽ được nối với cửa xả số 3 làm cho xylanh A đi ra kẹpchặt chi tiết tại vị trí dập và tác động vào công tắc hành trình S2

Khi công tắc hành trình S2 bị chặn khí từ tầng 1 sẽ đi qua công tắc hành trình S2 tác động vào van đảo chiều 5/2 ( phần tử nhớ trung gian X) điều

khiển khí chuyển tầng từ "L3" sang "L2", và đi qua van logic OR ( là phần tử

điều kiện của xylanh B) đồng thời cùng với khí từ "L2" sẽ đi qua van AND tác động vào van đảo chiều 5/2 (phần tử điều khiển xylanh B) điều khiển xylanh B đi ra dập chi tiết lần thứ nhất và chạm vào công tác hành trình S4

Khi công tắc hành trình S4 bị chặn, khí từ công tắc hành trình S4 sẽ tác động vào bên trái van đảo chiêu 5/2 ( phần tử nhớ trung gian Y) điều khiển khí chuyển tầng từ L0 sang L1 Khí từ L1 đi qua cơng tắc hành trình S5 kếât hợp vớùi khí đi ra từ S4 sẽ điều khiển xylanh B đi về kết thúc lầân dập thứ nhất và chạm vào công tắc hành trình S3

S3 S6 S5